Deutério, uma versão mais pesada, mas menos abundante do átomo de hidrogênio, tem muitas aplicações práticas. Infelizmente, produzir deutério e usá-lo para proteger semicondutores à base de silício requer muita energia e gás deutério muito caro. Agora, Cientistas japoneses descobriram uma reação de troca eficiente em termos de energia para trocar átomos de hidrogênio por deutério na superfície do silício nanocristalino. Seus resultados abrem caminho para dispositivos eletrônicos mais duráveis, ao mesmo tempo que mantêm os custos e o impacto ambiental baixos.

A descoberta de isótopos no início dos anos 20 ^º século marcou um momento chave na história da física e levou a uma compreensão muito mais refinada do núcleo atômico. Isótopos são 'versões' de um determinado elemento da tabela periódica que carregam o mesmo número de prótons, mas um número diferente de nêutrons, e, portanto, variam em massa. Essas diferenças de massa podem alterar radicalmente certas propriedades físicas dos átomos, como suas taxas de decaimento radioativo, suas possíveis vias de reação em reatores de fissão nuclear, e muito mais.

Embora a maioria dos isótopos de um elemento compartilhe propriedades químicas semelhantes, há uma exceção notável:os isótopos de hidrogênio. A maioria dos átomos de hidrogênio na Terra contém apenas um próton e um elétron, mas existem isótopos de hidrogênio que também têm um nêutron (deutério) ou dois nêutrons (trítio). Deutério, que pesa essencialmente o dobro do hidrogênio "normal", encontrou muitos usos práticos e científicos. Por exemplo, pode ser usado para rotular e rastrear moléculas, como proteínas, para investigar processos bioquímicos. Também pode ser usado estrategicamente em medicamentos para reduzir sua taxa metabólica e aumentar sua meia-vida no corpo.

Outra aplicação importante do deutério existe no campo da eletrônica de semicondutores. A superfície dos semicondutores à base de silício deve ser "passivada" com hidrogênio para garantir que os átomos de silício não saiam (dessorvem) facilmente, aumentando assim a durabilidade dos microchips, baterias, e células solares. Contudo, através de mecanismos que ainda não são completamente compreendidos, a passivação com deutério em vez de hidrogênio resulta em probabilidades de dessorção cerca de cem vezes menores, implicando que o deutério pode em breve se tornar um ingrediente indispensável em dispositivos eletrônicos. Infelizmente, tanto a obtenção de deutério quanto as técnicas disponíveis para enriquecer superfícies de silício com ele são muito ineficientes em termos de energia ou requerem gás deutério muito caro.

Felizmente, na Universidade da Cidade de Nagoya (NCU), Japão, uma equipe de cientistas liderada pelo professor Takahiro Matsumoto encontrou uma estratégia de eficiência energética para enriquecer superfícies de silício usando uma solução diluída de deutério. Este estudo, que foi publicado em Materiais de revisão física , foi realizado em colaboração com o Dr. Takashi Ohhara da Agência de Energia Atômica do Japão e o Dr. Yoshihiko Kanemitsu da Universidade de Kyoto.

Os pesquisadores descobriram que uma reação de troca peculiar de hidrogênio para deutério pode ocorrer na superfície do silício nanocristalino (n-Si). Eles demonstraram essa reação em filmes finos de n-Si submersos em uma solução contendo deutério usando espalhamento inelástico de nêutrons. Esta técnica de espectroscopia envolve a irradiação de nêutrons em uma amostra e a análise dos movimentos atômicos ou vibrações do cristal resultantes. Esses experimentos, juntamente com outros métodos de espectroscopia e cálculos de energia baseados na mecânica quântica, revelou os mecanismos subjacentes que favorecem a substituição de terminações de hidrogênio na superfície de n-Si com deutério:O processo de troca está intimamente relacionado às diferenças nos modos vibracionais de superfície entre n-Si terminado por hidrogênio e deutério. "Conseguimos um aumento de quatro vezes na concentração de átomos de deutério na superfície do n-Si em nossos experimentos realizados na fase líquida, "destaca o Dr. Matsumoto, "Também propusemos um protocolo de enriquecimento em fase gasosa para n-Si que, de acordo com nossos cálculos teóricos, poderia aumentar a taxa de enriquecimento de deutério em 15 vezes. "

Esta estratégia inovadora de explorar os efeitos quânticos na superfície do n-Si pode abrir caminho para novos métodos para obter e utilizar o deutério. "A reação eficiente de troca de hidrogênio para deutério que relatamos pode levar a economicamente viável, e protocolos de enriquecimento de deutério ecológicos, levando a uma tecnologia de semicondutor mais durável, "conclui o Dr. Matsumoto.

A equipe NCU também afirmou que "Foi teoricamente previsto que quanto mais pesado é o hidrogênio, quanto maior é a eficiência da reação de troca. Assim, podemos esperar um enriquecimento mais eficiente de átomos de trítio em n-Si, o que leva à possibilidade de purificar a água contaminada com trítio. Acreditamos que este é um problema que deve ser resolvido com urgência. ”

Esperemos que as descobertas deste trabalho nos permitam tirar mais proveito dos isótopos mais pesados ​​do hidrogênio sem prejudicar nosso planeta.